3 points importants concernant le condensateur au tantale
Introduction
Le tantale (Ta) est un métal de transition rare, dur, bleu-gris et brillant, très résistant à la corrosion et conducteur de chaleur et d'électricité. Il présente une excellente immunité à l'eau régale agressive sous 150℃. En raison de ses bonnes propriétés physiques et chimiques, le tantale est principalement utilisé dans le domaine de l'électronique, des alliages et d'autres domaines. La figure 1 montre les expéditions de produits de tantale en 2016 [1]. La plupart du tantale est utilisé dans les condensateurs en tant qu'anodes qui appartiennent à l'électronique, et d'autres sont principalement utilisés dans les alliages, les produits chimiques et les cibles de pulvérisation. En 2021, environ 70 % de la demande de tantale proviendra de l'industrie électronique : anodes pour condensateurs, cibles pour semi-conducteurs et revêtements de frittage pour anodes [2]. Parlons d'abord des condensateurs au tantale.
Figure 1 : Expédition de produits à base de tantale en 2016 [1]
Comment fabrique-t-on un condensateur au tantale ?
Tout comme les autres condensateurs, un condensateur au tantale comporte trois composants : une anode, une cathode et un électrolyte. La poudre et les fils de tantale pur sont utilisés pour fabriquer la partie anode.
En comprimant la poudre de tantale autour d'un fil de tantale, on obtient une "pastille" de tantale. Ensuite, on fritte la pastille à environ 1200 à 1800℃ pour éliminer les impuretés. Au cours de ce processus, la poudre prend également une structure poreuse, ce qui peut augmenter sa valeur de capacité. En d'autres termes, les condensateurs au tantale ont une valeur de capacité/volume plus élevée que d'autres condensateurs tels que les condensateurs à l'aluminium.
Après le frittage, un diélectrique est formé à l'extérieur des surfaces des particules de tantale en transformant la couche extérieure de tantale en Ta2O5. Ce processus est appelé anodisation. L'épaisseur du diélectrique est directement liée à la résistance à la tension des condensateurs. Chaque condensateur doit avoir une marge de sécurité au niveau de l'épaisseur de la couche d'oxyde pour garantir un fonctionnement fiable.
La dernière étape consiste à ajouter une cathode à l'extérieur du diélectrique. Les condensateurs au tantale humide utilisent un électrolyte liquide pour submerger la partie en tantale et une enceinte recouvre les condensateurs au tantale humide. Le boîtier et l'électrolyte liquide font office de cathode dans le condensateur au tantale humide. Pour le condensateur au tantale solide, plonger l'anode dans une solution de Mn(NO3)2 et la cuire à environ 250℃ permet la formation d'une couche de MnO2 à l'extérieur du diélectrique. Répétez plusieurs fois jusqu'à ce qu'une couche de MnO2 suffisamment épaisse soit formée à l'extérieur de la "pastille". Plongez-la ensuite dans du graphite et de l'argent pour obtenir une bonne connexion entre la cathode de MnO2 et la terminaison cathodique externe. La figure 2 vous donne une vue plus brève du condensateur au tantale solide.
Figure 2 : coupe transversale d'un condensateur au tantale solide
Avantages et inconvénients du condensateur au tantale
Avantages et inconvénients du condensateur au tantale
Les condensateurs au tantale ont des caractéristiques de fréquence supérieures et une durée de vie plus longue que les condensateurs en aluminium ou en céramique. Leur résistance série équivalente est également plus faible, ce qui signifie que des courants plus importants peuvent traverser le condensateur avec moins de chaleur. De plus, les condensateurs au tantale offrent la capacité la plus élevée par volume, comme nous l'avons déjà mentionné. Grâce à ces avantages, les condensateurs au tantale sont populaires dans les domaines électroniques tels que les ordinateurs portables, les smartphones, etc.
Inconvénients
Toutefois, les condensateurs au tantale ne sont pas aussi largement utilisés que les condensateurs à l'aluminium, les condensateurs céramiques multicouches (MLCC) ou même les condensateurs au niobium. L'une des raisons est que l'offre et le prix du métal tantale sont instables. Dans certains cas, les gens commencent à utiliser des MLCC pour remplacer les petits condensateurs au tantale, et des condensateurs en aluminium pour remplacer les grands condensateurs au tantale.
Étant donné qu'ils sont polarisés, les condensateurs au tantale ne peuvent être utilisés qu'en courant continu et non en courant alternatif. En outre, lorsque les anodes entrent en contact avec les cathodes MnO2 lors de pics de tension, les condensateurs au tantale peuvent présenter un mode de défaillance dangereux, tel qu'une réaction chimique produisant de la fumée et des flammes. Pour éviter cela, les condensateurs au tantale doivent être utilisés avec des limiteurs de courant ou des fusibles thermiques.
Applications des condensateurs au tantale
Les condensateurs au tantale sont principalement utilisés en raison de leur capacité/volume la plus élevée, de leur bonne stabilité et de leurs caractéristiques de fréquence supérieures. Les condensateurs au tantale peuvent remplacer les condensateurs électrolytiques à l'aluminium dans les applications militaires en raison de la stabilité de leur capacité dans le temps. L'électronique médicale utilise également des condensateurs au tantale pour cet avantage. Parmi les produits électroniques, les ordinateurs de bureau et les ordinateurs portables sont ceux qui utilisent le plus de condensateurs au tantale. Et étonnamment, les smartphones et les téléphones portables utilisent très peu de condensateurs au tantale en comparaison.
Recyclage du tantale
La consommation croissante de produits à base de tantale entraîne la production d'une grande quantité de déchets contenant du tantale. Les déchets de production lors de la fabrication de superalliages et de cibles de pulvérisation et les déchets de fin de vie provenant de l'industrie électronique ont augmenté de manière significative. En revanche, l'écart entre la demande et l'offre de tantale devient de plus en plus important. Pour combler cet écart, le recyclage des déchets de tantale commence à se développer à nouveau.
Le recyclage peut être divisé en deux parties : le recyclage avant consommation et le recyclage après consommation [3]. La plupart du tantale est recyclé à partir de déchets de pré-production en raison de sa faible contamination et de ses faibles difficultés. Le recyclage avant consommation peut améliorer efficacement l'ensemble du processus de production en générant des déchets minéraux. La concentration en tantale, le coût du nettoyage, la taille et l'économie sont les principaux facteurs qui influencent les stratégies de recyclage.
Le recyclage après consommation du tantale ne s'est pas très bien développé en raison de la faible concentration du tantale par rapport à d'autres métaux tels que le cuivre et l'or. Pour les produits pyrométallurgiques à base de tantale, le processus de recyclage après consommation du tantale est très compliqué. Les condensateurs au tantale de plus petite taille aggravent encore cette situation. Il convient de poursuivre les recherches afin de créer une méthode économique et respectueuse de l'environnement pour recycler les produits de tantale après consommation.
Citation
- Agrawal, M., Singh, R., Ranitović, M., Kamberovic, Z., Ekberg, C., & Singh, K. K. (2021). Tendances du marché mondial du tantale et méthodes de recyclage des condensateurs au tantale usagés : A review", Sustainable Materials and Technologies, 29, e00323.
- Zogbi, D. M. (2021, 10 mai). La chaîne d'approvisionnement en tantale : mise à jour du marché mondial en 2021. TTI, Inc. Consulté le 4 janvier 2023 sur https://www.tti.com/content/ttiinc/en/resources/marketeye/categories/passives/me-zogbi-20211005.html
- Agrawal, M., Singh, R., Ranitović, M., Kamberovic, Z., Ekberg, C., & Singh, K. K. (2021). Tendances du marché mondial du tantale et méthodes de recyclage des condensateurs au tantale usagés : A review", Sustainable Materials and Technologies, 29, e00323.
